儲(chǔ)能在煤改電中的應(yīng)用

黃承榮 黃子龍

摘要：自18世紀(jì)進(jìn)入工業(yè)革命以來，中國形成了以煤、石油、天然氣等化石能源為主的能源消費(fèi)格局。其中，供熱項(xiàng)目消耗的能源主要靠煤炭。為了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，中國實(shí)行城市集中供熱。主要方式有熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱和區(qū)域鍋爐集中供熱。由于集中供熱管網(wǎng)的輻射范圍有限，郊區(qū)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村供熱用的小型燃煤鍋爐和散煤較多。煤炭在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生CO2、SO2、粉塵等溫室氣體，是某些地區(qū)形成重污染天氣的重要原因之一。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能;煤改電;電網(wǎng)峰谷差

指出了中國北方冬季取暖能源以燃煤為主，主要方式有三種：熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖，區(qū)域鍋爐集中供暖，戶內(nèi)分散采暖。為了保護(hù)環(huán)境，改善空氣質(zhì)量，國家八部委聯(lián)合下發(fā)《推進(jìn)電能替代指導(dǎo)意見》，積極在北方推進(jìn)“煤改電”清潔取暖。對“煤改電”工程耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：不僅可以提高系統(tǒng)可靠性，而且可以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本?？梢姡瑑?chǔ)能在“煤改電”中的應(yīng)用應(yīng)受到重視，其商業(yè)推廣將日益廣泛。

一、儲(chǔ)熱技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)在我國發(fā)展已經(jīng)比較成熟了，大致可以分為四類：（1）抽水儲(chǔ)能;（2）儲(chǔ)熱;（3）電化學(xué)儲(chǔ)能;（4）機(jī)械儲(chǔ)能。由于供暖主要涉及熱能應(yīng)用，主要討論儲(chǔ)熱技術(shù)。儲(chǔ)熱的具體原理是利用其他形式能量轉(zhuǎn)換為熱能，并通過特定的蓄熱介質(zhì)將熱能在保溫良好的條件下儲(chǔ)存起來，當(dāng)需要利用時(shí)再通過換熱把所儲(chǔ)存的熱量提取出來加以利用。儲(chǔ)熱，根據(jù)蓄熱介質(zhì)的狀態(tài)可以分為顯熱儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能。相變材料儲(chǔ)熱具有較大的儲(chǔ)能密度，因而發(fā)展?jié)摿Ω?。由于材料成本和配套設(shè)備的限制，目前儲(chǔ)熱市場仍然以顯熱儲(chǔ)能為主。隨著新型儲(chǔ)熱材料的研發(fā)應(yīng)用和配套設(shè)備制造工藝的提升，儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用的成本逐年下降，越來越多商業(yè)化工程應(yīng)用得到推廣。根據(jù)能源品位劃分，儲(chǔ)熱可以歸納為3個(gè)梯度：①高品位能源（≥1000℃）;②中品位能源（160～550℃）;③低品位能源（0～160℃）。供暖熱源的溫度范圍一般在50～120℃，從能量品位層次劃分來看，屬于低品位能源。由于供暖所需能源品位要求不高，可利用的能源很廣泛。

二、“煤改電”的概況

電供暖是指直接利用電力向用戶供暖，是一種安全、清潔、舒適的取暖方式。以電代煤實(shí)質(zhì)是一種能源消費(fèi)方式的轉(zhuǎn)變。以電能替代煤炭等傳統(tǒng)化石能源，有助于推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型，加快清潔能源開發(fā)利用，提高可再生能源消納能力，促進(jìn)我國能源可持續(xù)發(fā)展。“煤改電”可以從根本上轉(zhuǎn)變北方供暖過度依賴燃煤的傳統(tǒng)熱力發(fā)展方式，在源頭控制大氣污染，緩解環(huán)境污染壓力，推動(dòng)社會(huì)節(jié)能減排，滿足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的需求。北京是我國率先實(shí)施“煤改電”的試點(diǎn)城市。北京累計(jì)完成58.25萬戶“煤改電”工程，減少散煤燃燒180萬t/年，減排CO2 468萬t/年、SO2 4.34萬t/年、NOx1.24萬t/年，具有良好的環(huán)保效益。在試點(diǎn)城市取得成功經(jīng)驗(yàn)之后，國家政府將北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)擴(kuò)展至京津冀及周邊地區(qū)，囊括了 大氣污染傳輸通道“2+26”城市，并出臺(tái)了一系列支持政策。電供暖具有多種實(shí)現(xiàn)形式，例如電鍋爐、發(fā)熱電纜、電熱膜以及各種電驅(qū)動(dòng)熱泵等。我國北方大力推進(jìn)“煤改電”清潔供暖，在取得了一定的成績的同時(shí)，也存在著一些問題。（1）設(shè)備安裝條件限制?！懊焊碾姟惫こ讨饕槍κ浅鞘屑袩崃芫W(wǎng)輻射不到的城郊或者農(nóng)村地區(qū)。以上地區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施相對落后，由于工程實(shí)際需要，“煤改電”的相關(guān)設(shè)備，例如空氣源熱泵、變壓器很多情況下需要安裝在胡同內(nèi)、馬路邊、街巷等地，施工難度大，難以做到整體規(guī)劃。（2）電力負(fù)荷不匹配?！懊焊碾姟睍?huì)造成在局部區(qū)域電力需求量出現(xiàn)劇增，原有配電網(wǎng)設(shè)計(jì)與新增電力需求負(fù)荷不匹配。電力增容工程需要繁雜的辦理手續(xù)，而且電力基礎(chǔ)設(shè)施投資使得整體工程造價(jià)成本大幅提高。（3）取暖成本較高。在當(dāng)前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉價(jià)的。在“煤改電”試點(diǎn)前期，在一些政策補(bǔ)貼的推動(dòng)下，不少用戶采購了直熱電鍋爐、蓄熱電鍋爐進(jìn)行冬季取暖，后來因?yàn)槌袚?dān)不起昂貴的電費(fèi)成本不得不選擇了放棄，散煤取暖卷土重來。空氣源熱泵有“大自然能量的搬運(yùn)工”的美譽(yù)，具備節(jié)能環(huán)保、操作簡單、維護(hù)方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)北方“煤改電”的主要途徑之一。然而，空氣源熱泵在運(yùn)行過程會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，對住宅小區(qū)產(chǎn)生噪音污染。

三、帶儲(chǔ)能的清潔供暖系統(tǒng)

某省是《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》中清潔供暖改造的重點(diǎn)省份，“2+26”城市中某省占了7個(gè)。在“宜氣則氣，宜電則電”、“新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換”等政策推動(dòng)下，省在城郊以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道開展了一系列“煤改電”工程。以某市某“煤改電”工程為例，簡單闡述一下儲(chǔ)熱在“煤改電”供暖領(lǐng)域的應(yīng)用。原來的工程項(xiàng)目采用空氣源熱泵對小區(qū)燃煤鍋爐進(jìn)行“煤改電”清潔供暖改造。小區(qū)供暖面積7.2萬m2，采用25臺(tái)額定制熱量140 kW空氣源熱泵低溫機(jī)組進(jìn)行供暖。系統(tǒng)主要設(shè)備配置及工藝流程簡圖如圖1所示。

某市屬于北溫帶季風(fēng)區(qū)，四季的氣溫分布分明，1月份為全年的最冷月，日均最低溫達(dá)到-8℃。工程投入使用第一年的供暖季，空氣源熱泵在極端嚴(yán)寒天氣出現(xiàn)部分機(jī)組結(jié)霜嚴(yán)重，能效降低，甚至停機(jī)保護(hù)的情況，用戶室內(nèi)溫度達(dá)不到供暖指標(biāo)要求。第二年，為了保障供暖效果，對空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，增加了儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)由熱池模塊和換熱模塊組成。熱池模塊包含了熱池罐、緩沖罐、電加熱器以及特種儲(chǔ)熱材料“駱駝二號(hào)”?！榜橊劧?hào)”的設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱溫度在60～130℃，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無腐蝕，損耗率小，使用壽命周期長，是一種高品質(zhì)的傳熱、儲(chǔ)熱材料。儲(chǔ)熱包含了熱能儲(chǔ)存和熱能轉(zhuǎn)換兩個(gè)過程。熱能儲(chǔ)存：谷電時(shí)段，利用電加熱器加熱熱池罐中“駱駝二號(hào)”，將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存。熱能轉(zhuǎn)換：在峰電時(shí)段或者空氣源熱泵出力不足的情況，“駱駝二號(hào)”與供暖管道中的循環(huán)水進(jìn)行換熱，將儲(chǔ)存的熱能傳遞到供暖循環(huán)水中，再通過給水泵輸送到用戶末端進(jìn)行供暖。增加儲(chǔ)能模塊之后，上述“煤改電”清潔供暖系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性提高，即使在極端寒冷天氣依然能夠通過延長儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間使得用戶室內(nèi)溫度維持在18±2℃。在個(gè)別空氣源熱泵機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)保護(hù)時(shí)，還可以啟動(dòng)電加熱進(jìn)行直接熱量補(bǔ)充。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以跟隨供暖系統(tǒng)總熱負(fù)荷隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，靈活調(diào)節(jié)儲(chǔ)存熱能的總量，以及合理控制儲(chǔ)存熱能的換熱，充分利用“峰谷電價(jià)”杠桿最大化能源利用的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)比為4.12∶1，通過儲(chǔ)熱不僅可以削峰填谷，利于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)仉娏?yīng)負(fù)荷平衡，提高能源利用效率，還能降低供暖系統(tǒng)的電費(fèi)成本。根據(jù)供暖系統(tǒng)改造前后2年的運(yùn)維數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，增加儲(chǔ)能模塊之后，供暖季谷電利用占比由原來的32.6%提升到了44.0%，單位面積能耗增加了4.5%，單位面積電費(fèi)降低了14.2%。

總之，電能替代是我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵一環(huán)。電是二次能源，也是一種清潔、零排放、高品質(zhì)的綠色能源。從這個(gè)意義上來說，“煤改電”清潔供暖低碳環(huán)保毋庸置疑?！懊焊碾姟瘪詈蟽?chǔ)能的清潔供暖系統(tǒng)，不僅能夠提高系統(tǒng)的安全可靠性，削峰填谷，提高電網(wǎng)效率，還能利用“峰谷”電價(jià)杠桿降低運(yùn)行成本。儲(chǔ)能在“煤改電”清潔供暖工程發(fā)揮著不可替代的作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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